锗烯研究突破：量子态可通过电场实现开关切换

荷兰研究人员首次利用精密电场，成功对锗烯纳米带中的拓扑量子态进行开关操控。

量子材料领域近日迎来一项重大突破。荷兰研究人员首次证实，仅凭电场即可直接开关由锗烯（石墨烯知名度较低的"表亲"）制成的超窄带状结构中的量子态。这项研究为构建未来量子计算机所需的稳定、抗噪声基础元件开辟了新路径。

由特文特大学和乌得勒支大学组成的团队演示了如何通过调节局域电场强度，来控制仅几个原子宽的锗烯纳米带中出现的"拓扑"末端态的开关。这些末端态之所以备受关注，是因为其天然具备抗噪声特性——这正是量子计算面临的最大挑战之一。

锗烯与石墨烯性质类似，但其结构由单层锗原子排列成略带波纹的二维薄片构成。

电场开关突破

当锗烯被切割成极窄带状结构（宽度仅2-4个六边形晶格）时，其边缘会产生零维拓扑态。研究人员认为，这些边缘态可作为更稳定的量子比特组件，因为它们比传统量子态能更好地保持量子信息。

在新研究中，团队将锗烯纳米带置于扫描隧道显微镜下，通过微调显微镜探针与样品表面的间距来调控局域电场。随着电场强度的增减，量子末端态会按照指令消失或重现。

"我们实现了对这些拓扑末端态的完全电控，"特文特大学的埃斯拉·D·范特·韦斯滕德表示，"通过改变扫描隧道显微镜与纳米带的间距来调节局域电场，这使我们能真正实现量子态的开启与关闭。"

该行为与纳米带宽度密切相关：在超窄纳米带中，末端态在弱电场下清晰可见，强电场下则会消失；而在较宽纳米带中情况相反——增强电场反而会激活而非抑制拓扑态。乌得勒支大学理论组建立的模型揭示了这种开关机制随纳米带几何结构变化的原理。

该发现属于荷兰国家量子材料计划（QuMat）的研究成果，该计划旨在通过实验与理论团队的紧密协作设计新一代量子材料。研究人员强调，这种合作模式是取得本成果的关键。

"该项目完美展现了QuMat计划的宗旨：实验与理论团队携手为未来量子设备设计新材料，"特文特大学的潘特利斯·班普利斯博士评论道。

迈向稳健量子比特

该研究预示着未来可能基于拓扑保护态构建量子比特，并通过简单电场（而非磁场或复杂装置）进行操控。这种电控方式对于将量子硬件扩展至集成数百万量子比特的芯片至关重要，而当前技术尚难以实现这一目标。

目前这项突破仍属于基础研究范畴，但通过局域电场实现锗烯纳米带量子态开关的能力，为寻找稳定量子构建模块树立了重要里程碑。

该研究成果已发表于《物理评论快报》。

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